DE19738142C1 - Elektrostatische Beschichtungsanlage und Verfahren zur Erkennung und Beschichtung von Werkstücken in einer elektrostatischen Beschichtungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen und Beschichten von Werkstücken in einer elektrostatischen Beschichtungsanlage sowie eine elektrostatische Beschichtungsanlage, bei der dieses Verfahren angewendet werden kann.

Herkömmliche automatische Beschichtungsanlagen werden über speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) gesteuert. Hier­ für ist eine zentrale Recheneinheit vorgesehen, von der aus eine Vielzahl von elektrischen und pneumatischen Leitungen zu Sensoren und Stellgliedern (oder Aktoren) der Anlage ge­ hen.

Die aktuellen Zustände der Sensoren (z. B. Fördertakt des Werkstücks, Füllstand der Vorratsbehälter etc.) werden zy­ klisch von der Zentraleinheit erfaßt, die notwendigen Reak­ tionen der zugehörigen Stellglieder werden jeweils errech­ net, und entsprechende Steuerbefehle werden an die Stell­ glieder weitergeleitet.

Bei den üblichen elektrostatischen Pulverbeschichtungsanla­ gen läuft ein Werkstück in horizontaler Richtung durch eine Beschichtungskabine, in deren Seitenwand vertikale Schlitze vorgesehen sind. Durch diese Schlitze geben elektrostatische Beschichtungspistolen Beschichtungspulver in die Beschich­ tungskabine ab. Während das Werkstück durch die Beschich­ tungskabine geführt wird, bewegen sich die hintereinander angeordneten, mehreren Beschichtungspistolen in vertikaler Richtung auf und ab, wobei das Werkstück durch die Werk­ stückbewegung in der Horizontalen und der Vertikalen mit mehreren aneinander angrenzenden oder sich teilweise über­ deckenden sinusförmigen Pulverschwaden beschichtet wird.

Um eine gleichmäßige und ausreichende Beschichtungsdicke auf dem Werkstück zu erhalten und um den Wirkungsgrad beim Pul­ verauftrag zu optimieren, werden der Vertikalhub der Be­ schichtungsgeräte sowie die Pulverabgabe gesteuert. Zusätz­ lich wird der Abstand zwischen Beschichtungsgerät und Werk­ stück in der Sprührichtung eingestellt, um zu vermeiden, daß bei einem zu geringen Abstand das Pulver wieder abgeblasen wird oder sich elektrostatische Krater bilden bzw. daß sich im umgekehrten Fall der Wirkungsgrad der Pulverbeschichtung verschlechtert und z. B. das Eindringvermögen in Hohlräume ab­ nimmt.

Zu diesem Zweck haben bekannte Pulverbeschichtungsanlagen eine Teileerkennungs- und Identifikationseinrichtung sowie eine Zeitgebereinrichtung, wie sie z. B. in der EP-A-0 037 911 beschrieben sind.

Die Teileerkennung wird zum Beispiel in Lackieranlagen zur Realisierung einer Lückensteuerung verwendet. Dabei wird in Werkstücklücken die Förderung und somit das Auftragen von Pulverlack oder Naßlack unterbrochen. Dadurch reduziert sich der Verbrauch an Beschichtungsstoffen, die Abfallmenge bei Naßlacken und der rezirkulierte Anteil bei Pulverlacken. Der prinzipielle Aufbau einer Lückensteuerung des Standes der Technik ist in Fig. 9 gezeigt.

Eine Werkstückfördervorrichtung 902 transportiert Werkstücke 904 durch eine Beschichtungskabine 901 in der gezeigten Richtung. Zur Realisierung der Lückensteuerung wird eine Vorrichtung zur Erkennung eines Werkstücks 904 benötigt. Diese besteht aus einer Lichtschranke 906 oder 906', 908, wobei Licht vom Lichtsender 906 oder 906' gesendet und vom Empfänger 908 empfangen wird, und wobei entsprechende Signa­ le an eine Steuerung 912 weitergeleitet werden.

Die Lichtschranke liegt vornehmlich außerhalb der Beschich­ tungskabine 901. Für die zeitverzögerte Steuerung der Mate­ rialförderung benötigt die Steuerung 912 ein zusätzliches Signal, das proportional zur Geschwindigkeit der Fördervor­ richtung 902 ist. Dieses Signal kommt nun direkt von einer Fördersystem-Steuerung 915, oder es wird mit einer speziel­ len Einrichtung 913 zur Messung der Fördergeschwindigkeit ermittelt. Diese Geschwindigkeitsmessvorrichtung erzeugt ein zur Fördergeschwindigkeit proportionales Signal und leitet es zur Steuerung 912. Die Steuerung 912 bestimmt aus der Geschwindigkeitsinformation und dem Signal von der Licht­ schranke 806, 908 die Zeit, die das Werkstück 904 benötigt, um bis zur Sprühvorrichtung 905 zu gelangen.

Die Lichtschranke 906, 908 "informiert" die Steuerung 912 auch von dem Ende eines Werkstücks. Damit hat man nun eine Einrichtung die das Einfahren eines Werkstücks 904 in die Kabine 901 erkennt, dessen Länge ermittelt und zeitver­ zögert, abhängig von der Geschwindigkeit des Förderers 902, die Materialförderung 910, 911 ein- und ausschalten kann.

Zur Steuerung der Beschichtungsgeräte sind im Stand der Technik weiterhin eine Positionssteuereinrichtung und eine Bewegungssteuereinrichtung vorgesehen, die ebenfalls die In­ formation über Anfang, Ende und Geschwindigkeit des Werk­ stücks benötigen. Die Positionssteuereinrichtung steuert die Abstände der Beschichtungsgeräte zu den Werkstücken. Die Bewegungssteuereinrichtung steuert den Vertikalhub der Be­ schichtungsgeräte.

Die Beschichtungsanlage erfordert einen großen Rechenauf­ wand, um die mehreren Beschichtungsgeräte aufeinander abge­ stimmt so ein- und auszuschalten, auf und ab sowie vor und zurück zu bewegen, daß ein optimales Beschichtungsergebnis erhalten wird.

Ferner ist für die Teileerkennung und -identifikation eine relativ komplexe und teure optische Erfassungsvorrichtung notwendig.

Zusätzlich ist aus der DE-A-31 19 925 bekannt, den Sprüh­ stroms eines Beschichtungsgerätes zum Werkstück zu erfassen und zur Ermittlung des Abstandes zwischen Beschichtungsgerät und Werkstück auszuwerten, um bei profilierten Werkstücken gegebenenfalls die Position des Beschichtungsgerätes nachzu­ führen, um den Abstand zwischen Werkstück und Beschichtungs­ gerät möglichst konstant zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erkennen und Beschichten eines Werkstücks in einer elektrostatischen Be­ schichtungsanlage und eine Beschichtungsanlage anzuge­ ben, bei denen der Hardware- und Softwareaufwand für die Teileerkennung und -identifikation verringert und die Steue­ rung vereinfacht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 2 sowie eine Beschichtungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß in einem elektro­ statischen Beschichtungsgerät eine Hochspannungselektrode oder Sprühelektrode, elektrostatische Ladungen an die Um­ gebung abgibt, welche einen elektrischen Sprühstrom von der Hochspannungselektrode durch die Luft zur Erde erzeugen, und zwar unabhängig davon, ob gleichzeitig von dem Beschich­ tungsgerät ein Beschichtungsmaterial an das Werkstück abge­ geben wird oder nicht. Wenn ein elektrisch leitendes, geer­ detes Werkstück vor dem Beschichtungsgerät vorbeigeführt wird, fließt der elektrische Sprühstrom von der Hochspan­ nungselektrode durch das Werkstück zur Erde.

Beim Annähern des Werkstücks an die Sprühpistole steigt der Sprühstrom kontinuierlich an (siehe Fig. 2). Befindet sich nun die Sprühelektrode auf gleicher Höhe wie das Werkstück, so ändert sich der Sprühstrom nur noch unwesentlich. Die Erhöhung des Sprühstroms wird für die Teileerkennung aus­ genutzt. Messungen haben belegt, daß der Gesamtstrom der durch die Elektrode fließt zum größten Teil vom Abstand zwi­ schen Sprühelektrode und Werkstück bestimmt wird, sowie von der eingestellten Hochspannung.

Die Messung des Sprühstroms kann daher als Mittel zur Erken­ nung eines Werkstücks vor dem Beschichtungsgerät verwendet werden. Gemäß der Erfindung wird abhängig von der Größe des Sprühstroms der Betrieb des Beschichtungsgerätes gesteuert.

Die im Stand der Technik übliche optische Werkstückerkennung kann dadurch ganz entfallen.

Durch Definieren geeigneter Schwellwerte kann erkannt wer­ den, ob sich das Werkstück an das Beschichtungsgerät an­ nähert, sich vor diesem befindet oder ob es sich entfernt und ob es den richtigen Abstand zur Sprühelektrode hat.

Das neue Verfahren zur Teileerkennung gemäß der Erfindung, ermöglicht es, z. B. eine Lückensteuerung viel einfacher zu realisieren als im Stand der Technik, indem direkt vor Ort, an der Beschichtungspistole ein Werkstück erkannt wird und abhängig von dem Vorhandensein eines Werkstücks die Förde­ rung und Abgabe des Beschichtungsmaterials aktiviert wird. Bei dem neuen System wird somit keine externe "Lückensteue­ rung" benötigt.

Wie bereits erwähnt, ist für die Größe des Sprühstroms neben der Hochspannungsvorwahl vor allem der Abstand von Werkstück und Elektrode maßgebend.

Für eine optimale Beschichtung sollte dieser Abstand kon­ stant sein. Da es jedoch viele Werkstücke mit sich in Längs­ richtung ändernden Konturen gibt, und die Sprühpistole einen Vertikalhub durchläuft, ändert sich dabei der Abstand. Ab­ hängig von dem gemessenen Sprühstrom kann nun der Abstand zwischen dem Werkstück und dem Beschichtungsgerät in Sprüh­ richtung ermittelt und konstant gehalten werden.

Die Teileerkennung kann auch zur Ermittlung der Geschwindig­ keit eines Werkstücks herangezogen werden. Da in der Praxis meistens drei und mehr Pistolen horizontal hintereinander in gleichem Abstand angeordnet sind, kann daraus die Förderge­ schwindigkeit hergeleitet werden. Da eine einmal gewählte Geschwindigkeit über einen längeren Zeitraum konstant bleibt, kann aus mehreren aufeinander folgenden relativ un­ genauen Messungen durch statistische Methoden die Förderge­ schwindigkeit genauer berechnet werden.

Die Geschwindigkeitsinformation kann dann zur Steuerung und Synchronisierung des Vertikalhubs der Beschichtungsgeräte verwendet werden.

Die Erfindung schafft mit dem Verfahren zur Erkennung von Werkstücken mit Hilfe der Sprühströme der elektrostatischen Beschichtungsgeräte ein zuverlässiges, schnelles und kosten­ günstiges Mittel für die Erfassung und Identifikation der zu beschichtenden Werkstücke, das die im Stand der Technik blichen Teileerkennungs- und Identifikationseinrichtungen vollständig ersetzten kann. Ferner hat die Erfindung den Vorteil, daß die Anwesenheit eines Werkstücks vor den jewei­ ligen Beschichtungsgeräten während des Betriebs laufend überprüft werden kann und nicht, wie im Stand der Technik, nur aufgrund einer einmaligen Messung beim Eintritt des Werkstücks in die Beschichtungskabine vorausgesagt wird. Bei einem außerplanmäßige Stillstand der Werkstückförderung kann dadurch z. B. sofort die Pulverabgabe gesperrt werden. Wei­ terhin ermöglicht die Erfindung eine weitgehende Dezentrali­ sierung der Beschichtungsanlage, weil jedes Beschichtungs­ gerät selbständig erkennt, ob ein Werkstück vorhanden ist, und abhängig vom Sprühstrom seine Pulverabgabe und seinen Abstand zum Werkstück steuern kann.

Die Erfindung ist im folgenden anhand des Beispiels einer elektrostatischen Pulverbeschichtungsanlage mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine elektrostatische Pulverbeschichtungsanla­ ge gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm des Sprühstroms abhängig von dem Abstand zwischen einer Sprühelektrode und einem Werkstück;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Abstandseinstellung zwischen Werkstück und Sprühpistole gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens zur Ermittlung der Geschwindig­ keit eines Werkstücks gemäß der Erfindung;

Fig. 5a, 5b zwei Diagramme unterschiedlicher Wellenlinien aus Beschichtungsmaterial, die mit zwei syn­ chronisierten bzw. zwei nicht synchronisierten Beschichtungsgeräten erhalten werden;

Fig. 6 eine ideale und eine real U/I-Kennlinie einer Hochspannungselektrode eines Beschichtungs­ gerätes;

Fig. 7 eine Kurvenschar aus U/I-Kennlinien für unter­ schiedliche Versorgungsspannungen des Hoch­ spannungserzeugers eines Beschichtungsgerätes;

Fig. 8 eine Einrichtung zur Erfassung des elektri­ schen Sprühstroms; und

Fig. 9 eine Beschichtungsanlage nach dem Stand der Technik mit einer Lückensteuerung;

Fig. 1 zeigt eine Pulverbeschichtungsanlage gemäß der Er­ findung. Diese Pulverbeschichtungsanlage ist ausführlicher in der deutschen Patentanmeldung "Steuersystem einer Be­ schichtungsanlage" derselben Anmelderin, mit demselben An­ meldetag beschrieben. Auf die Offenbarung dieser Patentan­ meldung und insbesondere die dortige Erläuterung der Netz­ werkstruktur wird ausdrücklich Bezug genommen.

In Fig. 1 sind mehrere (fünf) Beschichtungsmodule aus je­ weils einem digitalen Steuergerät 60, einem Injektor 64 und einer Sprühpistole 66 dargestellt, die über einen Pistolen­ bus 62 verbunden sind. Für den Betrieb notwendige Informa­ tionen über die Betriebszustände der Beschichtungsanlage erhalten die Steuergeräte 60 über einen internen Bus 80.

Über den internen Bus 80 sind die mehreren Beschichtungsmo­ dule ferner miteinander und mit einer zentralen Steuerein­ heit 82 sowie mit weiteren Komponenten des Systems verbun­ den. Zusätzliche, an den internen Bus anschließbaren Module sind z. B. ein Pulverpegelsteuermodul 88, ein Positions­ steuermodul 90 und ein Bewegungssteuermodul 92.

Es sind noch weitere Baugruppen vorgesehen, die über einen externen Bus 100 ebenfalls mit der zentralen Steuereinheit 82 verbunden sind; diese umfassen ein Pulverzentrum 102 mit einem Pulvervorratsbehälter 104, eine Schichtdickenmeß- und Regeleinrichtung 107, 108 und eine Luftmengenregeleinrich­ tung 109 für ein Pulverrückgewinnungssystem 110, 114 u. a.

Die Busse 62, 80, 100 sind vorzugsweise Lon-Busse (LON = local area network). Die einzelnen Komponenten, die als LON- Knoten konfiguriert sind, können sich im System selbst an­ melden, andere Systemkomponenten erkennen, sich auf diese einstellen und mit diesen kommunizieren. Sie können die In­ formation über die jeweiligen Betriebszustände der Beschich­ tungsanlage, die sie über den Bus 80 oder 100 erhalten, aus­ werten und nutzen.

In groben Zügen läuft der Betrieb in der in Fig. 1 gezeig­ ten Pulverbeschichtungsanlage wie folgt ab. Ein Werkstück 200 nähert sich der Beschichtungskabine 120. An den Hoch­ spannungselektroden der Sprühpistolen 66-1, 66-2, ..., 66-n liegt eine Hochspannung von etwa 100 kV an, so daß ein elek­ trischer Sprühstrom von den jeweiligen Elektroden durch die Luft zu Erde fließt. Dieser Sprühstrom ist, solange sich kein geerdetes Werkstück vor der jeweiligen Sprühpistole befindet, sehr klein (sog. Nullstrom).

Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen dem elektrischen Sprühstrom und dem Abstand zwischen dem Beschichtungsgerät 66 und dem Werkstück 200 bzw. der Zeit. Die y-Achse zeigt den Strom, auf der x-Achse sind der Abstand in cm und die Zeit in Sekunden dargestellt, wobei eine konstanten Förder­ geschwindigkeit von 10 cm/s angenommen wird.

Zum Zeitpunkt t₁ ist das Werkstück noch sehr weit von der Sprühpistole 66 entfernt. Es fließt ein Sprühstrom I₁ zur nächstgelegenen Erde, dieser Sprühstrom wird laufend gemes­ sen und mit vorhergegangenen Meßwerten verglichen. Bis zum Zeitpunkt t₂ ändert sich der Strom unwesentlich. Ab dem Zeitpunkt t₂ beginnt nun der Strom zu steigen. Vom zuvor beschichteten Werkstück kann bereits der ungefähre Endwert I₂ bekannt sein. Zum Zeitpunkt t₃ ist das Werkstück noch ca. 20 cm von der Sprühpistole entfernt. Die frei wählbare Ein­ schaltschwelle wird in diesem Beispiel auf 25% von ΔI_S gesetzt.

Zum Zeitpunkt t3 wird somit die Einschaltbedingung erkannt und das Steuergerät 60 schickt über den Pistolenbus 62 einen Einschaltbefehl an den Injektor 64. Der Injektor 64 enthält zwei Luftmengenregler zur Einstellung von Förderluft und Dosierluft für das Beschichtungsgerät. Damit wird die Pul­ verförderung eingeschaltet. Kommt nun das Werkstück 200 zur Beschichtungspistole 66, so wird es beschichtet. Im Zeitin­ tervall t₄ bis t₅ läuft das Werkstück an der Pistole vorbei. Im beschriebenen Fall ist die Länge des Werkstücks 20 cm. Ab dem Zeitpunkt t₅ entfernt sich nun das Werkstück 200 von der Sprühpistole 66 und der Sprühstrom sinkt. Zum Zeitpunkt t₆ ist das Werkstück 10 cm von der Sprühpistole entfernt, wie­ derum wird eine vorgewählte Schaltschwelle (hier 50% von ΔI_S) überquert und über den LON-Bus 92 wird die Pulverför­ derung abgeschaltet.

Der gemessene Sprühstrom kann auch zur Einstellung des Ab­ standes zwischen Werkstück 200 und Sprühpistole 66 verwendet werden.

In Fig. 3 ist eine mögliche Konfiguration des Positions­ steuermoduls dargestellt. Die Positionssteuerung wird häufig als Z-Achsensteuerung bezeichnet. Solche Steuerungen sind bekannt, doch bewegen sich die Beschichtungsgeräte bisher auf einer fest einprogrammierten Bahn. Bei der neuen Metho­ de, erfolgt die Anpassung an die Werkstückkontur automa­ tisch.

Der in der Sprühpistole 66 integrierte Hochspannungserzeuger erzeugt einen Sprühstrom von der Elektrode 17 zum Werkstück 200. Dieser Sprühstrom wird von einem Hochspannungsmodul 300 gemessen und an einen Abstandsregler 302 weitergeleitet. Dieser Regler versucht einen vorgegebenen Sprühstrom einzu­ regeln. Ist z. B. der Sprühstrom kleiner als vorgegeben, so wird vom Regler 302 ein Korrektursignal an eine Verschiebe­ achsensteuerung 304 übertragen. Diese wiederum veranlaßt einen Servomotor 306 eine Pistolenhalterung 308 und mit ihr die Pistole 66 näher an das Werkstück 200 zu schieben.

Dieser Regelvorgang muß relativ schnell vor sich gehen. Durch die Auf- und Abbewegung der ganzen Einheit mit Hilfe eines Hubgeräts 310, wird die Elektrode 17 entlang der ge­ strichelten Linie 312 bewegt. Dadurch wird die Pistole immer in einem korrekten Abstand zum Werkstück 200 gehalten. Der Regler 302 ist in der Praxis als ein "Softwareteil" des Hochspannungsmoduls 300 realisiert. Der erwähnte Regler ist vorzugsweise kein Standard PI oder PID Regler, sondern ein sogenannter intelligenter Regler.

Die Fördergeschwindigkeit des Werkstücks kann aus den Zeit­ punkten ermittelt werden, zu denen die Sprühströme einer er­ sten und einer zweiten Sprühpistole 66-1 und 66-2 einen vor­ gegebenen Schwellwert überschreiten, und abhängig von den ermittelten Zeitpunkten und dem bekannten Abstand zwischen der ersten und der zweiten Sprühpistole wird die Geschwin­ digkeit des Werkstückes berechnet.

Fig. 4 zeigt prinzipiell die Anordnung von 3 Pistolen.

Ein Fördersystem bringt verschiedene Werkstücke 200 in der gezeigten Richtung in die Beschichtungskabine 120. Ein Werk­ stück 200 bewegt sich nun zur ersten Beschichtungspistole 66-1. Ein erstes Hochspannungsmodul 400-1 registriert einen Anstieg des Sprühstroms. Eine im Modul eingebaute Echtzeit­ uhr registriert den genauen Zeitpunkt der Erkennung und sen­ det den Startzeitpunkt der Messung an ein zweites Hochspan­ nungsmodul 400-2. Das Werkstück bewegt sich nun zur zweiten Beschichtungspistole 66-2 und löst dort wiederum einen Startzeitpunkt mit Hilfe einer Echtzeituhr aus. Dieser Startwert der zweiten Messung wird sogleich über das Bus-Sy­ stem 402 zum dritten Hochspannungsmodul gesendet. Der Start­ zeitpunkt der zweiten Messung ist zugleich der Stoppzeit­ punkt der ersten Messung. Mit Hilfe des bekannten Abstandes A zwischen erster und zweiter Pistole und der Zeitdifferenz zwischen Start- und Stoppzeitpunkt wird die Geschwindigkeit des Werkstücks berechnet und über den Bus 402 an einen be­ liebigen anderen Busteilnehmer 404 gesendet, der für seine Funktion die Geschwindigkeit des Fördersystems kennen muß.

Bewegt sich nun das Werkstück 200 weiter zur dritten Pistole 66-3, so wird der zweite Stoppzeitpunkt ausgelöst. Aus der zweiten Zeitdifferenz (Startzeitpunkt Nr. 2 und Stoppzeit­ punkt Nr. 2) und dem bekannten Abstand B wird der zweite Ge­ schwindigkeits-Meßwert ermittelt und an den Bus 402 überge­ ben.

Auch läßt sich zur Kontrolle und/oder zum Runden aus dem er­ sten Startzeitpunkt und dem zweiten Stoppzeitpunkt, sowie der Strecke A + B ein dritter Geschwindigkeitsmeßwert er­ rechnen. Dieser dritte Meßwerte wird der genaueste sein, weil sich Ungenauigkeiten in der Zeitmessung und in der Werkstückerkennung um so weniger auswirken, je länger die Meßstrecke und die Meßzeit sind. Da bei jedem Werkstück die Geschwindigkeit neu ermittelt wird, kann aus mehreren Mes­ sungen die durchschnittliche Geschwindigkeit des Förder sy­ stems errechnet werden.

Die Information über die Werkstückgeschwindigkeit kann zur Steuerung und Synchronisation der Hubbewegung der Sprüh­ pistolen verwendet werden.

Für den einfachsten Fall wird angenommen, daß zwei Beschich­ tungspistolen horizontal nebeneinander angeordnet sind. Diese beiden Beschichtungspistolen sind im Abstand A ange­ ordnet (Fig. 5a und 5b).

Diese beiden Beschichtungspistolen sind auf einem soge­ nannten Hubgerät 306 (Fig. 3) befestigt. Das Hubgerät be­ wegt die Pistolen senkrecht auf und ab, und zwar mit einer konstanten Geschwindigkeit von unten nach oben, und mit der gleichen Geschwindigkeit von oben nach unten. In den Um­ kehrpunkten wird jeweils so schnell wie möglich die Ge­ schwindigkeitsrichtung umgeschaltet. Bei einem rechteckigen Werkstück das kontinuierlich in die Beschichtungskabine hineinfährt wird dadurch die ganze Fläche gleichmäßig be­ schichtet, sofern die Geschwindigkeit der Fördereinrichtung und des Hubgeräts "synchronisiert" sind. Zum besseren Ver­ ständnis sind in Fig. 5a und 5b verschiedene Fälle darges­ tellt.

Der Materialniederschlag auf dem Werkstück ähnelt bezüglich der Schichtdicke einer Gausschen Verteilung, deshalb kann die Beschichtungsgrenze in der Breite nicht genau angegeben werden. Jedoch ist im synchronisierten Fall (Fig. 5a) er­ sichtlich, daß die Sprühpistole (2) denjenigen Bereich des Werkstücks beschichtet, der von der Sprühpistole (1) nicht beschichtet werden konnte. Durch die Verwischung der Sprüh­ zonen wird im Fall der Fig. 5a die Materialverteilung op­ timal. Nicht so im nicht synchronisierten Fall der Fig. 5b. Dort beschichtet die zweite Pistole (2) vorwiegend den glei­ chen Bereich, den zuvor Pistole (1) beschichtet hat. Zudem gibt es Zwischenzonen die nicht beschichtet wurden.

Werden mehr als zwei Pistolen nebeneinander angeordnet, so git es mehrere Konstellationen, bei denen eine optimale Ab­ deckung erreicht wird.

Jedes Beschichtungsmodul kann somit sowohl die Tatsache, daß ein Werkstück 200 sich annähert, als auch die Art, insbeson­ dere Größe und Form des Werkstücks 200, die Geschwindigkeit des Werkstücks und den Abstand von Werkstück zu Sprühpistole erfassen. Diese Informationen werden auf den Bus 100, 80 ge­ geben und stehen sofort bei den anderen Komponenten der Pul­ verbeschichtungsanlage zur Verfügung.

Zum Verständnis der Sprühstrommessung sei folgendes voraus­ geschickt.

Im allgemeinen ist die Erzeugung einer Hochspannung in einem elektrostatischen Beschichtungsgerät bekannt. In der DE-A-42 32 026 wird beschrieben, wie eine Schaltung aufgebaut ist, die exakt reproduzierbare Strom/Spannungskennlinien produ­ ziert. Diese exakt reproduzierbaren Kennlinien sind eine Grundlagen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Eine Hochspannungserzeugungseinheit besteht in der Regel aus einem Hochspannungssteuermodul mit Oszillator, Endstufe und Steuereinheit und einem Hochspannungserzeuger in der Pisto­ le, bestehend aus Hochspannungstransformator, Vervielfacher­ kaskade und Schutzwiderständen. Sie besitzt eine U/I-Kennli­ nie, die das elektrische Verhalten der Gesamteinheit be­ stimmt. Wäre der Gesamtinnenwiderstand ein ohmscher Wider­ stand, so wäre die U/I-Kennlinie eine Gerade, mit den Eck­ punkten: Kurzschlußstrom und Leerlaufspannung. Siehe dazu Kurve A in Fig. 6. In der Praxis ist der Innenwiderstand aufgeteilt in viele, sich summierende komplexe Innenwider­ stände und ohmsche Anteile. Die daraus resultierende Kenn­ linie ist in Fig. 6 als Kurve B dargestellt. Der eigent­ liche Lastwiderstand einer Beschichtungseinheit ist die Luft zwischen Sprühelektrode und Werkstück und besitzt rein ohmschen Charakter. Jedoch ist dieser ohmsche Widerstand ab­ hängig von der Form des Werkstücks, dessen Größe, Oberflä­ chenbeschaffenheit, der Form der Sprühelektrode, der Luft­ beschaffenheit, Temperatur, Druck, Feuchtgehalt sowie dem Abstand zwischen Elektrode und Werkstück und zudem vom Hoch­ spannungserzeuger.

Die Form der realen U/I-Kennlinie B ist mit einer geeigneten Ansteuerung bei jeder Kombination aus Steuereinheit und Hochspannungserzeuger die Gleiche.

Fig. 7 zeigt eine Kurvenschar, gebildet aus mehreren unter­ schiedlichen Spannungseinstellungen oder, genauer gesagt, unterschiedlichen Endstufen-Versorgungsspannungseinstellun­ gen. Dabei entsprechen in Fig. 7 die Werte U_0x den Leer­ laufspannungen, die zu den jeweils gewählten Versorgungs­ spannungen proportional sind. (Der Einfachheit halber wird die gekrümmte Kennlinie durch einen Knick dargestellt.)

Nehmen wir z. B. die Kurve B₁ mit ihren Eckpunkten U₀₁ und I_k1. Darauf sind nun vier mögliche Arbeitspunkte darges­ tellt. AP₁ entspricht einem sehr großen Abstand zwischen Werkstück und Sprühelektrode, wobei das Werkstück immer geerdet ist. Der Abstand ist so groß, daß die in der Luft bewegten Ladungsträger gar nicht zum Werkstück, sondern z. B. zum Pistolenhalter gelangen. Der Punkt AP₁ stellt somit in der Praxis die maximale Hochspannung und den minimalen Strom dar. (Der Punkt U₀₁ kann nur im Labor unter gewissen Bedin­ gungen erreicht werden.) Wird nun der Abstand zwischen Werkstück und Elektrode verringert, so bewegt sich der Ar­ beitspunkt entlang der Kurve B₁ auf AP₂ zu. Bei diesem Punkt fließt bereits ein beachtlicher Teil der Ladung über das Werkstück ab. Verringert man nun den Abstand von Werkstück zu Elektrode weiter bis zur Berührung, so wandert der Ar­ beitspunkt weiter über AP₃ bis zu AP₄ (Kurzschluß).

Wollte man nun eine Spannungsmessung durchführen, so müßte in dem Hochspannungserzeuger ein Spannungsteiler eingebaut werden, der eine kleine, der Hochspannung proportionale Spannung liefert. Dieser Spannungsteiler muß für hohe Span­ nung bis 100 KV dimensioniert werden und ist somit groß und voluminös.

Günstiger ist dagegen die Messung des Sprühstroms, die unten noch erläutert ist.

Die Form der U/I-Kennlinie ist im Hochspannungsmodul abge­ speichert. Zudem kennt das Hochspannungsmodul den Zusammen­ hang zwischen Versorgungsspannung und U₀. Damit ist dem Hochspannungsmodul die gesamte tatsächliche Kurvenschar von Fig. 7, auch mit allen nicht gezeichneten, dazwischen­ liegenden Kurven, bekannt.

Aus dem linearen Zusammenhang der Versorgungsspannung des Hochspannungserzeugers (die gemessen wird) und U₀ errechnet das Hochspannungsmodul die aktuelle Leerlaufspannung U_0a. Die dazugehörenden U/I Kennliniendaten werden aus dem Spei­ cher abgerufen. Der gemessene Sprühstrom I_sm wird vom Rech­ ner zur Bestimmung des aktuellen Arbeitspunktes AP_a benutzt. Dadurch ist auch die aktuelle Elektrodenspannung U_a be­ stimmt.

Für die vorstehend erläuterte Werkstückerkennung genügt die Kenntnis der jeweils zu verwendenden Kennlinie und des gemessenen Sprühstroms. Häufig ist es jedoch wünschenswert, neben dem Sprühstrom auch die aktuelle Elektrodenspannung U_a anzuzeigen.

In Fig. 8 ist eine Strommeßschaltung gezeigt. Die Schaltung der Figur umfaßt eine Steuereinrichtung 10, zwei Koppelkon­ densatoren 11, 37, einen Transformator 13 mit einer Primär­ spule 14 und einer Sekundärspule 15, die über eine Brücke 12 verbunden sind, eine Hochspannungskaskade 16, eine Elektrode 17 mit einem Elektrodenwiderstand, welche auf die in Fig. 8 gezeigte Weise miteinander verbun­ den sind. Weiterhin ist ein mit 22 bezeichneter Tiefpaß sowie ein mit 25 bezeichneter Strom-Spannungs-Wandler vor­ gesehen. Ebenfalls in Fig. 8 gezeigt ist ein zu beschich­ tendes Werkstück 19.

Der Tiefpaß umfaßt eine erste Tiefpaß-Spule 21, die auf der Seite der Brücke 12 mit der Primärspule 14 und über einen Kondensator 23 mit Erde 9 verbunden ist, und eine zweite Tiefpaß-Spule 26, welche den Strom-Spannungs-Wandler 25 mit dem Verbindungspunkt 35 von erster Tiefpaß-Spule 21 und Kon­ densator 23 verbindet. Zusätzlich ist noch ein Widerstand 24 zu dem Kondensator 23 in Reihe geschaltet.

Der Strom-Spannungs-Wandler 25 weist einen Operationsver­ stärker 27 auf, dessen Ausgang über einen Rückkopplungswi­ derstand 28 mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist. Die zweite Tiefpaß-Spule 26 ist ebenfalls an den invertie­ renden Eingang 38 des Operationsverstärkers 27 angeschlos­ sen, und der nicht-invertierende Eingang 39 des Operations­ verstärkers 27 ist mit Erde 9 verbunden.

Am Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers 25 ist ein Filter­ netzwerk 29 aus zwei Widerständen 30 und 31 und zwei Konden­ satoren 32 und 33 sowie ein Ausgangsverstärker 34 angeord­ net, welche auf die in Fig. 2 gezeigte Weise miteinander verbunden sind.

Die Schaltung der Fig. 8 arbeitet wie folgt. Wenn sich ein Werkstück 19 vor der Elektrode 17 befindet und elektrische Ladung auf das Werkstück 19 übertragen wird, fließt ein Sprühstrom über Luftpartikel (Ionen) und Pulverteilchen zum Werkstück und über Erde zurück zum Steuergerät. Dieser Sprühstrom fließt durch den Operationsverstärker 27, den Tiefpaß 22 und über die Transformatorbrücke 12 in die Hoch­ spannungskaskade 16 zurück. Der Strom-Spannungs-Wandler 25 ist so aufgebaut und dimensioniert, daß sich am Ausgang des Operationsverstärkers 27 eine Spannung einstellt, die pro­ portional zu dem elektrischen Sprühstrom von der Elektrode 17 zu Erde 9 ist.

Die Spannung am Ausgang 36 dieser Meßschaltung kann auf die oben beschriebene Weise ausgewertet werden.

Claims (14)

1. Elektrostatische Beschichtungsanlage mit mindestens einem Beschichtungsgerät (66) enthaltend eine Hochspannungselek­ trode (17), welche einen Sprühstrom enthaltend elektrostati­ sche Ladungen zum Aufladen von Partikeln eines zu versprühen­ den Beschichtungsmaterials abgibt, wobei dem oder jedem Beschichtungsgerät (66) jeweils eine Meßvorrichtung (22, 25) zur Ermittlung des Sprühstroms und eine Steuervorrichtung (60) zugeordnet sind, und wobei die Steuervorrichtung abhängig von dem ermittelten Sprühstrom erkennt, ob sich ein Werkstück (19; 200) dem Beschichtungsgerät (66) annähert oder sich von diesem entfernt, und das Beschichtungsgerät (66) derart ansteuert, daß das Beschichtungsgerät (66) mit der Abgabe des Beschichtungsmaterials beginnt, wenn der Sprühstrom einen er­ sten Schwellwert überschreitet, und die Abgabe beendet, wenn der Sprühstrom unter einen zweiten Schwellwert fällt.

2. Verfahren zum Erkennen und Beschichten von Werkstücken in einer elek­ trostatischen Beschichtungsanlage mit mindestens einem elektrostatischen Beschichtungsgerät (66), das eine Hochspannung an eine Hochspannungselektrode (17) anlegt, bei dem von der Hochspannungselektrode ein Sprühstrom enthaltend elektrostatische Ladung zum Aufladen von Partikeln eines zu versprühenden Beschichtungsmaterials erzeugt wird, ein zu beschichtendes, elektrisch leitendes Werkstück (19; 200) an dem Beschichtungsgerät vorbeigeführt wird, der Sprühstrom der Hochspannungselektrode (17) ermittelt wird, und abhängig von der Größe des ermittelten Sprühstroms erkannt wird, ob sich das Werkstück dem Beschichtungsgerät (66) annähert oder sich von diesem entfernt, und das Beschichtungsgerät (66) mit der Abgabe des Beschichtungsmaterials beginnt, wenn der Sprühstrom einen er­ sten Schwellwert überschreitet, und die Abgabe beendet, wenn der Sprühstrom unter einen zweiten Schwellwert fällt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß abhängig von der Größe des ermittelten Sprühstroms die Bewegung des oder jedes Beschichtungsgerätes (66) gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von dem ermittelten Sprühstrom der Abstand zwischen dem Werkstück (19; 200) und der Hochspannungselektrode (66) in der Sprührichtung ermit­ telt und eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sprühstrom mit einem Sollwert verglichen wird und dann, wenn der Sprühstrom den Sollwert um einen vorgege­ benen Wert unter- oder überschreitet, der Abstand zwischen der Hochspannungselektrode (17) und dem Werkstück (19; 200) korrigiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens zwei Beschichtungsge­ räte (66) vorgesehen werden, daß die Zeitpunkte (t1, t2) er­ mittelt werden, zu denen die Sprühströme eines ersten und eines zweiten Beschichtungsgeräts einen vorgegebenen Schwell­ wert überschreiten, daß daraus eine Zeitdifferenz (t2-t1) berechnet wird, und daß abhängig von der Zeitdifferenz und dem Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Beschichtungs­ gerät (66) die Geschwindigkeit des Werkstücks (19; 200) er­ mittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß abhängig von der Geschwindigkeit des Werkstückes (19; 200) der Vertikalhub der Beschichtungsgeräte (66) gesteuert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere U/I-Kennlinien für das oder jedes Beschichtungsgerät (66) gespeichert werden, abhängig von der Versorgungsspannung eines Hochspannungser­ zeugers (12-16) für die Hochspannungselektrode (17) eine zu­ gehörige U/I-Kennlinie ausgewählt wird, der Sprühstrom, (I 17-9) gemessen wird, abhängig von dem Sprühstrom ein Arbeits­ punkt auf der U/I-Kennlinie bestimmt wird, und damit die Ist- Hochspannung an der Elektrode ermittelt wird.

9. Beschichtungsanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Beschichtungsgerät und die Steuervorrichtung (60) über eine Busstruktur (62) verbunden sind.

10. Beschichtungsanlage nach Anspruch 1 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Beschichtungs­ geräte (66) vorhanden sind, die jeweils über einen Pistolenbus (62) mit ihren digitalen Steuervorrichtungen (60) verbunden sind, und Netzwerk-Knoten bilden, und daß die digitalen Steuervorrichtungen (60) über einen Be­ schichtungsbus (80) mit weiteren Komponenten der Beschichtungsanlage verbunden sind.

11. Beschichtungsanlage nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Netzwerk-Knoten LON-Knoten sind.

12. Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 und 9 bis 11, gekennzeichnet durch einen Hochspannungserzeuger (13, 16) in dem oder jedem Beschichtungsgerät (66), der
einen Transformator (13) mit einer Primärspule (14) und einer Sekundärspule (15) aufweist, die über eine Brücke (12) verbunden sind,
wobei die Primärspule mit einer Wechsel-Steuerspan­ nung beaufschlagbar ist, und
wobei die Meßvorrichtung einen Tiefpaß (22), der zwischen der Primärspule und Erde angeschlossen ist, und einen Strom-Spannungs-Wandler (25), der mit dem Tiefpaß verbunden ist, enthält.

13. Beschichtungsanlage nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Tiefpaß (22) zwei Spulen (21, 26) aufweist, wobei die erste Spule mit der Primärspule (14) und über einen Kondensator (23) mit Erde (9) verbunden ist, und wobei der Strom- Spannungs-Wandler (25) eine stromgesteuerte Span­ nungsquelle (27, 28) ist, die über die zweite Spule (26) an den Verbindungspunkt (35) zwischen der ersten Spule (21) und dem Kondensator (23) angeschlossen ist.

14. Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 und 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem oder jedem Beschichtungsgerät (66) jeweils eine Speichervor­ richtung zum Speichern mehrerer U/I-Kennlinien für verschiedene Versorgungsspannungen der jeweiligen Hochspan­ nungselektrode (17) zugeordnet ist, und die zugeordnete Steuer­ vorrichtung (60) die aktuelle Versorgungsspannung ermittelt und abhängig von der Versorgungsspannung eine U/I- Kennlinie auswählt und abhängig von dem Sprüh­ strom einen Arbeitspunkt auf der U/I-Kennlinie bestimmt, der für die Ermittlung der Ist-Hoch­ spannung an der Elektrode verwendet wird.